Reemplazar los metales caros que descomponen los gases de escape en los convertidores catalíticos con materiales más baratos y efectivos es una prioridad para los científicos, tanto por razones económicas como ambientales. Los catalizadores deben realizar reacciones químicas que de otro modo no sucederían, como la conversióngases contaminantes del escape de automóviles en compuestos limpios que pueden liberarse al medio ambiente. Para mejorarlos, los investigadores necesitan una comprensión más profunda de cómo funcionan exactamente los catalizadores.
Ahora, un equipo de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha identificado exactamente qué pares de átomos en una nanopartícula de paladio y platino, una combinación comúnmente utilizada en convertidores ¬, son los más activos para descomponer esos gases.
También respondieron una pregunta que ha intrigado a los investigadores de catalizadores: ¿Por qué las partículas de catalizador más grandes a veces funcionan mejor que las más pequeñas, cuando se espera lo contrario? La respuesta tiene que ver con la forma en que las partículas cambian de forma durante el curso de las reacciones, creando más de esos sitios altamente activos.
Los resultados son un paso importante hacia catalizadores de ingeniería para un mejor desempeño tanto en procesos industriales como en controles de emisiones, dijo Matteo Cargnello, profesor asistente de ingeniería química en Stanford que dirigió el equipo de investigación. Su informe fue publicado el 17 de junio en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"El resultado más emocionante de este trabajo fue identificar dónde se produce la reacción catalítica: en qué sitios atómicos puede realizar esta química que toma un gas contaminante y lo convierte en agua inofensiva y dióxido de carbono, que es increíblemente importante e increíblemente difícilhacer ", dijo Cargnello." Ahora que sabemos dónde están los sitios activos, podemos diseñar catalizadores que funcionen mejor y usen ingredientes menos costosos ".
En el convertidor catalítico de un automóvil, las nanopartículas de metales preciosos como el paladio y el platino se unen a una superficie de cerámica. A medida que pasan los gases de emisión, los átomos en la superficie de las nanopartículas se adhieren a las moléculas de gas que pasan y los alientan a reaccionar con el oxígeno para formaragua, dióxido de carbono y otros químicos menos dañinos. Una sola partícula cataliza miles de millones de reacciones antes de agotarse.
Los convertidores catalíticos de hoy están diseñados para funcionar mejor a altas temperaturas, dijo Cargnello, razón por la cual las emisiones de escape más dañinas provienen de vehículos que recién comienzan a calentarse. Con más motores diseñados para trabajar a temperaturas más bajas, existe una necesidad imperiosapara identificar nuevos catalizadores que funcionen mejor a esas temperaturas, así como en barcos y camiones que es poco probable que cambien a operación eléctrica en el corto plazo.
¿Pero qué hace que un catalizador sea más activo que otro? La respuesta ha sido difícil de alcanzar.
En este estudio, el equipo de investigación analizó las nanopartículas de catalizador hechas de platino y paladio desde dos perspectivas, teoría y experimento, para ver si podían identificar estructuras atómicas específicas en su superficie que contribuyan a una mayor actividad.
Partículas más redondeadas con bordes dentados
Desde el punto de vista teórico, el científico del personal de SLAC Frank Abild-Pedersen y su grupo de investigación en el Centro SUNCAT de Ciencia de Interfaz y Catálisis crearon un nuevo enfoque para modelar cómo la exposición a gases y vapor durante las reacciones químicas afecta la forma y estructura atómica de una nanopartícula catalíticaEsto es computacionalmente muy difícil, dijo Abild-Pedersen, y estudios previos habían asumido que las partículas existían en el vacío y nunca cambiaban.
Su grupo creó formas nuevas y más simples de modelar partículas en un entorno más complejo y realista. Los cálculos de los investigadores posdoctorales Tej Choksi y Verena Streibel sugirieron que a medida que avanzan las reacciones, las nanopartículas de ocho lados se vuelven más redondas y sus caras planas y facetadaslas superficies se convierten en una serie de pequeños escalones irregulares.
Al crear y probar nanopartículas de diferentes tamaños, cada una con una proporción diferente de bordes dentados a superficies planas, el equipo esperaba centrarse exactamente en qué configuración estructural, e incluso qué átomos, contribuyeron más a la actividad catalítica de las partículas.
Un poco de ayuda del agua
Angel Yang, estudiante de doctorado en el grupo de Cargnello, hizo nanopartículas de tamaños controlados con precisión que contenían una mezcla uniformemente distribuida de átomos de paladio y platino. Para hacer esto, tuvo que desarrollar un nuevo método para hacer las partículas más grandes al sembrarlasalrededor de los más pequeños. Yang usó rayos de rayos X de la fuente de luz de radiación sincrotrón Stanford de SLAC para confirmar la composición de las nanopartículas que hizo con la ayuda de Simon Bare de SLAC y su equipo.
Luego, Yang realizó experimentos en los que se usaron nanopartículas de diferentes tamaños para catalizar una reacción que convierte el propeno, uno de los hidrocarburos más comunes presentes en los gases de escape, en dióxido de carbono y agua.
"El agua aquí jugó un papel particularmente interesante y beneficioso", dijo. "Normalmente envenena o desactiva los catalizadores. Pero aquí la exposición al agua hizo que las partículas se redondearan y abrieran sitios más activos".
Los resultados confirmaron que las partículas más grandes eran más activas y que se volvían más redondas y más irregulares durante las reacciones, como predijeron los estudios computacionales. Las partículas más activas contenían la mayor proporción de una configuración atómica particular, una donde dos átomos, cada uno rodeadopor siete átomos vecinos, forme pares para llevar a cabo los pasos de reacción. Fueron estos "7-7 pares" los que permitieron que las partículas grandes se desempeñaran mejor que las pequeñas
En el futuro, dijo Yang, espera descubrir cómo sembrar nanopartículas con materiales mucho más baratos para reducir su costo y reducir el uso de metales preciosos raros.
Interés de la industria
La investigación fue financiada por BASF Corporation, un fabricante líder de tecnología de control de emisiones, a través de California Research Alliance, que coordina la investigación entre científicos de BASF y siete universidades de la costa oeste, incluida Stanford.
"Este documento aborda cuestiones fundamentales sobre sitios activos, con teorías y perspectivas experimentales que se unen de una manera realmente agradable para explicar los fenómenos experimentales. Esto nunca se había hecho antes, y por eso es bastante significativo", dijo Yuejin Li,un científico principal de BASF que participó en el estudio.
"Al final", dijo, "queremos tener un modelo teórico que pueda predecir qué metal o combinación de metales tendrá una actividad aún mejor que nuestro estado actual de la técnica"
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